Czerwona zorza polarna skrywała tajemnicę. Odpowiedź była na zdjęciach

Czerwona zorza polarna potrafi zachwycić, ale wciąż skrywa przed naukowcami sporo tajemnic. Jedną z nich udało się właśnie częściowo rozwikłać dzięki fotografiom, na których dostrzeżono coś niezwykłego. Wystarczyły cienkie smugi światła, żeby podważyć dotychczasowe przypuszczenia dotyczące powstawania tego zjawiska. Co ciekawe, zdjęcia nie powstały podczas specjalnie przygotowanego eksperymentu. Wykonano je podczas spektakularnej zorzy z maja 2024 r., a przełomowe szczegóły zauważono dopiero w trakcie późniejszej analizy.

Na pierwszy rzut oka fotografie przedstawiały dobrze znany widok: intensywną czerwoną poświatę rozciągającą się ponad zielonymi obszarami zorzy polarnej. Dopiero dokładniejsze przyjrzenie się zdjęciom ujawniło coś, co wcześniej umykało badaczom. Pomiędzy czerwonymi i zielonymi obszarami znajdowały się cienkie, jasne promienie, które wydawały się łączyć obie części zjawiska.

Zdjęcia wykonano w Niemczech podczas potężnej burzy geomagnetycznej z 10 na 11 maja 2024 r. W tamtym czasie zorza pojawiła się również nad Polską, ale dla naukowców najciekawsze okazało się to, co można było dostrzec dopiero po dokładnym przeanalizowaniu fotografii.

Wśród autorów zdjęć znalazł się Sami K. Solanki, dyrektor Instytutu Badań Układu Słonecznego im. Maxa Plancka. Naukowiec wyszedł z aparatem, żeby uwiecznić rzadkie widowisko. Podobne fotografie wykonali badacze z innych niemieckich instytucji, nie przypuszczając jeszcze, że utrwalone szczegóły pomogą wyjaśnić mechanizm powstawania czerwono-zielonych zórz.

W opublikowanym 3 listopada badaniu naukowcy przedstawili analizę tych niezwykłych struktur. Okazało się, że pozornie nieistotne promienie mogą być brakującą wskazówką pozwalającą zrozumieć, dlaczego podczas niektórych zórz czerwone i zielone światło występują razem.

Najważniejszy szczegół odkrycia kryje się w cienkich, jasnych smugach widocznych na fotografiach. Na zdjęciach czerwona zorza znajduje się wysoko na niebie, a poniżej rozciąga się zielona poświata. Pomiędzy nimi można dostrzec charakterystyczne promienie, które wydają się przechodzić z jednego obszaru w drugi.

Dotychczas takich ciągłych struktur łączących obie barwy nie opisano w publikacjach naukowych. Ich znaczenie jest jednak znacznie większe, niż sam wygląd. Smugi wskazują bowiem, że za czerwone i zielone świecenie odpowiadał prawdopodobnie ten sam proces fizyczny.

Badacze porównali fotografie z pomiarami wiatru słonecznego oraz zakłóceń ziemskiego pola magnetycznego. Wszystko wskazuje na to, że wysokoenergetyczne elektrony poruszające się wzdłuż linii pola magnetycznego docierały do różnych warstw atmosfery. Tam pobudzały atomy tlenu, doprowadzając do emisji światła o różnych barwach.

To bardzo ważna wskazówka, ponieważ przyczyny powstawania czerwonych zórz na średnich szerokościach geograficznych były przedmiotem wielu konkurencyjnych hipotez. Nowe obserwacje pozwalają odrzucić część wyjaśnień przynajmniej w odniesieniu do takich smug, jakie uchwycono nad Niemcami.

Choć obie barwy mogą powstawać wskutek oddziaływania elektronów z tlenem, różnią się wysokością, na której obserwujemy świecenie. Typowe zielone zorze występują mniej więcej 85-130 km nad powierzchnią Ziemi. Czerwone mogą pojawiać się znacznie wyżej, nawet na wysokości kilkuset kilometrów.

Kluczowa jest różnica w zachowaniu pobudzonych atomów tlenu. Zielone światło powstaje stosunkowo szybko, natomiast stan atomu odpowiedzialny za emisję czerwieni może utrzymywać się przez około 110 sekund, zanim zostanie wyemitowany foton. W gęstszych warstwach atmosfery taki atom częściej zderza się z innymi cząsteczkami i traci energię bez emisji czerwonego światła.

Właśnie dlatego czerwona poświata jest charakterystyczna dla wyższych, bardziej rozrzedzonych warstw atmosfery. Zielone światło może powstawać niżej, gdzie warunki fizyczne są zupełnie inne. Ciągłość świetlistych smug sugeruje, że elektrony opadające wzdłuż linii pola magnetycznego mogły pobudzać tlen na różnych wysokościach, tworząc dwie barwy tego samego zjawiska.

Co ciekawe, jedno z najciekawszych zdjęć wykonano smartfonem Google Pixel 7 w Brunszwiku. Ekspozycja trwała zaledwie 6 sekund. Inna fotografia, wykonana przez Solankiego aparatem Canon EOS R6 Mark II, również powstała przy 6-sekundowym naświetlaniu.

Krótki czas ekspozycji pozwolił zachować delikatne szczegóły struktury zorzy. Gdyby aparat zbierał światło przez znacznie dłuższy czas, przemieszczające się promienie mogłyby się rozmazać, tworząc jednolitą poświatę. Tymczasem właśnie ich kształt okazał się kluczowy dla interpretacji zjawiska.

Warto przy tym pamiętać, że czerwone zorze na średnich szerokościach geograficznych powstają w obszarze, w którym trudno prowadzić bezpośrednie pomiary. Satelity nie zawsze znajdują się we właściwym miejscu i czasie, a bez dokładnych danych o cząstkach naukowcy musieli dotychczas w dużej mierze polegać na modelach teoretycznych.

Tym razem pomoc przyszła z powierzchni Ziemi. Fotografie nie zastąpiły pomiarów satelitarnych, ale dostarczyły informacji o przestrzennej strukturze zjawiska. W połączeniu z danymi dotyczącymi burzy geomagnetycznej pozwoliły zawęzić listę możliwych mechanizmów.

Odkrycie nie oznacza niestety, że naukowcy ostatecznie rozwiązali zagadkę każdej czerwonej zorzy polarnej. Autorzy pracy zwracają uwagę, że obserwowane nad Niemcami krótkotrwałe zjawisko może różnić się od tzw. stabilnych czerwonych łuków zorzowych, które potrafią utrzymywać się przez wiele godzin.

Możliwe więc, że podobny kolor na niebie jest rezultatem kilku odmiennych procesów. W przypadku majowej burzy dowody przemawiają za udziałem wysokoenergetycznych elektronów. Przy innych typach zórz znaczenie mogą mieć również dodatkowe mechanizmy przekazywania energii w magnetosferze i górnej atmosferze.

Pamiętajmy, że zorze są widocznym skutkiem oddziaływania aktywności Słońca z ziemskim otoczeniem magnetycznym. Szczególnie silne burze mogą zakłócać pracę satelitów, systemów nawigacyjnych czy infrastruktury energetycznej. Dlatego tak istotne jest poznawanie procesów zachodzących podczas ekstremalnych zdarzeń.

Zresztą czerwone zorze dostarczają informacji o aktywności Słońca także w badaniach historycznych. Dawne zapisy obserwacji nieba pomagają rekonstruować burze słoneczne, które wydarzyły się setki lat przed pojawieniem się współczesnych instrumentów.

Zespół zamierza kontynuować badania i zachęca miłośników astronomii do udostępniania fotografii kolejnych zórz. Szczególnie cenne będą zdjęcia o krótkim czasie naświetlania, najlepiej nieprzekraczającym 6 sekund. Dzięki temu łatwiej dostrzec drobne promienie, które mogą zdradzać mechanizm powstawania świetlistej poświaty.

Przeczytaj także:

Co ciekawe, nie trzeba dysponować profesjonalnym sprzętem. Wystarczy odpowiednio ustawiony aparat lub smartfon, stabilne podparcie i odrobina szczęścia. Oczywiście nie każde zdjęcie będzie miało wartość naukową, ale fotografie wykonane w odpowiednich warunkach mogą dostarczyć informacji niedostępnych z innych źródeł.

Słońce stopniowo wychodzi już z okresu największej aktywności obecnego cyklu, co nie oznacza końca widowiskowych zórz. Silne erupcje nadal mogą się zdarzać, a wraz z nimi pojawią się kolejne okazje do obserwacji.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI